Abschirmung gegen Röntgenstrahlen

Röntgenstrahlen , auch als Röntgenstrahlung bekannt , beziehen sich auf elektromagnetische Strahlung (keine Ruhemasse, keine Ladung) hoher Energien. Röntgenstrahlen sind hochenergetische Photonen mit kurzen Wellenlängen und damit sehr hoher Frequenz. Die Strahlungsfrequenz ist der Schlüsselparameter aller Photonen, da sie die Energie eines Photons bestimmt. Photonen werden nach den Energien von niederenergetischen Radiowellen und Infrarotstrahlung über sichtbares Licht bis hin zu hochenergetischen Röntgen- und Gammastrahlen kategorisiert .

Die meisten Röntgenstrahlen haben eine Wellenlänge im Bereich von 0,01 bis 10 Nanometer (3 × 10 ¹⁶ Hz bis 3 × 10 ¹⁹ Hz), was Energien im Bereich von 100 eV bis 100 keV entspricht. Röntgenwellenlängen sind kürzer als die von UV-Strahlen und typischerweise länger als die von Gammastrahlen. Die Unterscheidung zwischen Röntgen- und Gammastrahlen ist nicht so einfach und hat sich in den letzten Jahrzehnten geändert. Nach der derzeit gültigen Definition werden Röntgenstrahlen von Elektronen außerhalb des Kerns emittiert , während Gammastrahlen vom Kern emittiert werden .

Abschirmung gegen Röntgenstrahlen

Siehe auch: Abschirmung ionisierender Strahlung

Wenn die hochenergetischen Photonen Material passieren, nimmt ihre Energie ab. Dies wird als Dämpfung bezeichnet . Die Dämpfungstheorie gilt auch für Röntgen- und Gammastrahlen . Es stellt sich heraus, dass Photonen mit höherer Energie (harte Röntgenstrahlen) leichter durch Gewebe wandern als Photonen mit niedriger Energie (dh Photonen mit höherer Energie interagieren weniger wahrscheinlich mit Materie). Ein Großteil dieses Effekts hängt mit dem photoelektrischen Effekt zusammen . Die Wahrscheinlichkeit einer photoelektrischen Absorption ist ungefähr proportional zu (Z / E) ³wobei Z die Ordnungszahl des Gewebeatoms und E die Photonenenergie ist. Wenn E größer wird, sinkt die Wahrscheinlichkeit einer Wechselwirkung schnell. Für höhere Energien wird die Compton-Streuung dominant. Die Compton-Streuung ist für verschiedene Energien ungefähr konstant, obwohl sie bei höheren Energien langsam abnimmt.

Wie zu sehen ist, beruht eine wirksame Abschirmung von Röntgenstrahlen in den meisten Fällen auf der Verwendung von Materialien mit zwei folgenden Materialeigenschaften:

• hohe Materialdichte.
• hohe Ordnungszahl des Materials (Materialien mit hohem Z)

Materialien mit niedriger Dichte und Materialien mit niedrigem Z können jedoch mit einer erhöhten Dicke kompensiert werden, die bei Abschirmanwendungen ebenso wichtig ist wie Dichte und Ordnungszahl.

Ein Blei wird häufig als Röntgenschutz verwendet . Der Hauptvorteil des Bleischildes liegt in seiner Kompaktheit aufgrund seiner höheren Dichte. Ein Blei wird häufig als Gammaschild verwendet. Auf der anderen Seite ist  abgereichertes Uran  aufgrund seines höheren Z viel effektiver. Abgereichertes Uran wird zur Abschirmung in tragbaren Gammastrahlenquellen verwendet.

In  Kernkraftwerken kann die  Abschirmung eines  Reaktorkerns  durch Materialien des Reaktordruckbehälters, Reaktoreinbauten ( Neutronenreflektor ) erfolgen. Auch schwerer Beton wird normalerweise verwendet, um sowohl Neutronen  als auch Gammastrahlung abzuschirmen  .

Im Allgemeinen ist die Röntgenabschirmung komplexer und schwieriger als die  Alpha-  oder  Betastrahlungsabschirmung . Um umfassend zu verstehen, wie ein Röntgenstrahl seine Anfangsenergie verliert, wie er abgeschwächt und wie er abgeschirmt werden kann, müssen wir seine Interaktionsmechanismen genau kennen.

Siehe auch mehr Theorie:  Wechselwirkung von Röntgenstrahlen mit Materie

Siehe auch Rechner:  Gamma-Aktivität zur Dosisleistung (mit / ohne Schild)

Siehe auch XCOM – Photonenquerschnittsdatenbank:  XCOM: Photonenquerschnittsdatenbank

Halbwertsschicht – Röntgenstrahlen

Die Halbwertsschicht drückt die Dicke des absorbierenden Materials aus, die zur Verringerung der Intensität der einfallenden Strahlung um den Faktor zwei benötigt wird . Es gibt zwei Hauptmerkmale der Halbwertsschicht:

• Die Halbwertsschicht nimmt mit zunehmender Ordnungszahl des Absorbers ab. Zum Beispiel werden 35 m Luft benötigt, um die Intensität eines 100 keV-Röntgenstrahls um den Faktor zwei zu reduzieren, während nur 0,12 mm Blei dasselbe bewirken können.
• Die Halbwertsschicht für alle Materialien nimmt mit der Energie der Röntgenstrahlen zu. Zum Beispiel von 0,26 cm für Eisen bei 100 keV bis etwa 0,64 cm bei 200 keV.

Beispiel:

Wie viel Wasserschutz benötigen Sie, wenn Sie die Intensität eines monoenergetischen 100-keV -Röntgenstrahls ( schmaler Strahl ) auf 1% seiner Einfallsintensität reduzieren möchten ? Die Halbwertsschicht für 100 keV-Röntgenstrahlen in Wasser beträgt 4,15 cm und der lineare Dämpfungskoeffizient für 100 keV-Röntgenstrahlen in Wasser beträgt 0,167 cm ^–1 . Das Problem ist recht einfach und kann durch folgende Gleichung beschrieben werden:

Wenn die Halbwertsschicht für Wasser 4,15 cm beträgt, beträgt der lineare Dämpfungskoeffizient:Jetzt können wir die exponentielle Dämpfungsgleichung verwenden:

Die erforderliche Wasserdicke beträgt also ca. 27,58 cm . Dies ist eine relativ große Dicke und wird durch kleine Atomzahlen von Wasserstoff und Sauerstoff verursacht. Wenn wir das gleiche Problem für Blei (Pb) berechnen , erhalten wir die Dicke x = 0,077 cm .

Tabelle der Halbwertsschichten

Tabelle der Halbwertsschichten (in cm) für verschiedene Materialien bei Photonenenergien von 100, 200 und 500 keV.